JP2852867B2

JP2852867B2 - 耐摩耗部品の製造方法及びその耐摩耗部品

Info

Publication number: JP2852867B2
Application number: JP6123337A
Authority: JP
Inventors: 博幸本川
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1994-05-13
Filing date: 1994-05-13
Publication date: 1999-02-03
Anticipated expiration: 2014-02-03
Also published as: EP0759336A1; KR950031322A; CN1048205C; EP0759336A4; CN1147778A; KR100201049B1; US5785109A; WO1995031304A1; JPH07303956A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、耐摩耗部品の製造方法
及びその耐摩耗部品に係り、特に部分的に高い硬度が要
求される耐摩耗部品に好適な製造方法その耐摩耗部品に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、耐摩耗性が要求される部品の硬度
を高くすることにより、寿命向上を図っている鋳造方法
として、次が知られている。低炭素系鋼を使用して所定
形状に鋳造し、鋳造後に浸炭処理を施して部品表面の炭
素量を増加させ、焼入れ等により表面硬度を高くしてい
る。また、必要に応じて焼戻しを行い、耐摩耗性を有す
るとともに、靱性も有する耐摩耗部品としている。ま
た、中炭素系鋼を用い、鋳造後に短時間処理が可能な高
周波焼入れを行い、耐摩耗部品とすることも知られてい
る。別の従来技術として、鋳型内の表面に超硬チップを
セットし、溶湯を注入する鋳包み法により、超硬チップ
を接合するとともに、極めて高硬度な耐摩耗部品を得て
いる（例えば、特開平２−１８７２５０号公報参照）。
また、鋳型に設けた固定座に網状の高合金鋼の細線をセ
ットし、必要に応じてこの細線に超硬合金粉末を塗布
し、溶湯を注入して、耐摩耗性を得ている（例えば、特
公平３−２８９７４号公報参照）。さらに、本願出願人
は、特願平６−３４２３１において、鋳型表面に黒鉛粉
末などを塗布し、溶湯を注入して部品表面に高炭素な硬
化層を形成し、必要に応じて熱処理を施すことにより、
高硬度な耐摩耗部品を得ることを提案している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術には次のような問題点がある。すなわち、浸炭焼
入れ法では、表面の硬度Ｈｖが８５０程度と高硬度が可
能であるが、大きい硬化深さ、例えば２ｍｍ程度あるい
はそれ以上の深さが必要な場合は、処理時間が極めて長
く、高価になるという問題がある。また、高周波焼入れ
法では、鋳鋼品形状毎に焼入れコイルを製作する必要が
あり、しかも単純な鋳鋼品形状以外では一定の硬度・硬
度深さを得るのが困難である。超硬チップ鋳包み法で
は、相対的に硬度の低い鋳包み部が摩耗して超硬チップ
が突き出し状態等になると、衝撃的な負荷等により靱性
の低い超硬チップが破損・破壊し、極めて高硬度な超硬
チップを備えている割りには寿命が短い問題がある。ま
た、高合金鋼の細線を使用する方法では、破損・破壊を
生じることは少ないものの、所定部分への超硬合金粉末
の保持方法が難しく、また多くの工数を要する問題があ
る。また、黒鉛粉末等の塗布法では、硬化深さが３ｍｍ
程度であり、より厚い硬化層形成に対応しにくい問題が
ある。

【０００４】本発明は、上記従来技術の問題点に着目
し、容易に所望位置に硬化層形成を可能とし、耐摩耗性
と靱性とを有する鋳造部品製造に好適な耐摩耗部品の製
造方法を提供することを主目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る耐摩耗部品の製造方法及びその耐摩耗
部品においては、第１発明は、超硬質部位を部分的に有
する耐摩耗部品を鋳造により製造する耐摩耗部品の製造
方法において、溶湯に溶融可能な保持部材を予め作成
し、保持部材の内部に超硬質粒子などの硬化層形成材を
充填し、充填後の保持部材を鋳型内の所定部位に設置
し、鋳型内に溶湯を注入したことを特徴とする。第２発
明は、第１発明において、前記注入した溶湯を凝固させ
た後、保持部材の設置部位に対応する部位を熱硬化処理
したことを特徴とする。第３発明は、第１発明又は第２
発明において、前記保持部材は、軟鋼製パイプであるこ
とを特徴とする。第４発明は、超硬質部位を部分的に有
する耐摩耗部品において、溶湯に溶融可能な保持部材の
内部に超硬質粒子などの硬化層形成材を充填し、充填後
の保持部材を鋳型内の所定部位に設置し、鋳型内に溶湯
を注入されてなることを特徴とする。第５発明は、第４
発明において、前記注入した溶湯を凝固させた後、保持
部材の設置部位に対応する部位が熱硬化処理されてなる
ことを特徴とする。

【０００６】

【作用】上記構成による本発明の作用を説明する。超硬
質粒子などの硬化層形成材を内部に充填した保持部材
が、注入された溶湯に溶融するので、硬化層形成材が溶
湯と接触して溶湯中に分散し、冷却凝固により、硬化層
形成材が表面及び／又は内部に分散した鋳造部品が得ら
れる。従って、硬化層形成材の分散した部分が、高硬度
な硬化層を形成するとともに、硬化層以外の部分は溶湯
成分の特性を保有するので、部分的に高硬度でしかも靱
性を有する耐摩耗部品を製造することができる。

【０００７】特に、硬化層形成材として超硬質粒子に黒
鉛粉末を加えることにより、注入時に黒鉛粉末は、溶湯
に溶け込みつつ拡散するので、拡散部は高炭素となり、
高硬度となる。また、各種合金粉などの金属粉を加える
ことにより、溶湯に溶け込んで拡散するので、部分的な
材質調整が可能となる。また、溶湯が凝固した後、保持
部材を設置した部位に対応する位置を焼入れ等の熱硬化
処理することにより、形成した硬化層が部分的に更に硬
化される。したがって、部分的に非常に高硬度で、しか
も靱性を有する耐摩耗部品を製造することができる。さ
らに、保持部材を例えばありふれた軟鋼製パイプとする
ことにより、入手し易く、加工し易い。したがって、保
持部材を鋳型内の所望位置に容易に設置可能であると共
に、保持部材の寸法・形状等、即ち充填状態の硬化層形
成材の寸法・形状等を、必要に応じて選定できるので、
硬化層の位置及び硬化層領域が自在に制御可能である。
これらの製造方法により製造された耐摩耗部品は、部分
的に非常に高硬度な硬化層を有しており、またこの硬化
層以外の部位は溶湯成分の特性を有しているので、建設
機械の作業機等に好適な、高硬度で、靱性のある耐摩耗
部品を容易に、かつ確実に得ることができる。

【０００８】

【実施例】以下に、本発明に係る耐摩耗部品の鋳造方法
の実施例につき、図面を参照しつつ詳述する。（実施例１）本実施例は、適用例として掘削機械の刃部の一種である
ツースを対象とした場合である。図１に掘削機械のバケ
ットの主要部の斜視図を示す。掘削機械の一つである油
圧ショベル等の建設機械の作業機（図示せず）の先端に
具備されるバケット１は、バケット本体２の先端部に取
り付け部材３を複数備え、刃部となる複数のツース５が
ピン４を介して取り付け部材３に装着されている。

【０００９】図２に、本実施例に係る鋳型の断面説明図
を示す。鋳型１０は、鋳型１１、１２から構成され、ツ
ース５（図１参照）用の空隙部１３を形成している。こ
の鋳型１１は、湯口１５を備えると共に、ツース５の凹
部用の中子１４を備えている。これらの鋳型１１、１２
は、生型、ＣＯ２型、自硬性型など一般鋳造用鋳型が適
用される。また、鋳型１１には、複数の保持部材１６が
備えられ、保持部材１６は一部が空隙部１３に突き出る
と共に、−部が鋳型１１に埋め込まれている。この保持
部材１６は軟鋼製パイプを使用したが、溶湯に溶融可能
であれば良く、各種の鋼、銅、ニッケルなどの金属、複
合材、樹脂などの非金属材等が使用される。超硬質粒子
１７としてタングステン炭化物（例えばＷ２Ｃ）系の超
硬合金粒を使用し、約６０重量％の超硬質粒子１７と、
約４０重量％の黒鉛粉末１８とからなる硬化層形成材１
９を、軟鋼製パイプに充填し、軟鋼製パイプの両端を封
止して保持部材１６とした。この超硬合金粒は、粒径が
約０．１〜０．７ｍｍの混粒である。

【００１０】かかる構成の鋳型１０を使用し、湯口１５
より鋳鋼溶湯を注入する。この鋳鋼は一般的組成でよ
く、炭素量が０．２〜０．４％程度の低炭素系鋼、例え
ばＳＣＣｒＭ１が使用され、注入温度は１４５０〜１６
００℃程度である。溶湯を注入すると、保持部材１６で
ある軟鋼製パイプが溶融し、内部の硬化層形成材１９が
溶湯と接触する。次に、比重の大きいタングステン炭化
物系の超硬合金粒１７は、その表面が少し溶湯に溶解し
つつ、主に下方向に移動して分散し、−方、黒鉛粉末１
８は主として溶湯に固溶して拡散する。これら分散、拡
散は溶湯の冷却・凝固によりほぼ完了し、ツース５の鋳
造品が得られる。なお、凝固後、必要に応じて鋳型１０
全体或いは一部を空冷、水冷等強制冷却してもよい。

【００１１】本実施例で得られたツース５の模式的断面
を図３に示す。部分的な硬化層２１が複数形成され、こ
れは超硬合金粒１７及び黒鉛粉末１８（図２参照）の分
散、拡散部と対応しており、所望の部分的硬化の鋳造品
である。このツース５断面部の炭素量を、ＥＰＭＡによ
り線Ｌ１に沿って表面Ｐ１から内部方向に分析した。そ
の分析データより推定すると、表面Ｐ１から内部にかけ
て高炭素となり、さらに内部から裏面側に向かって炭素
量は漸減し、母材２２中の炭素量と同じになる。また、
この鋳造品は、表面部から内部に渡り、高炭素であると
共に、超硬合金粒１７が分散しており、高硬度な硬化層
２１を形成し、その硬化深さは極めて大きい。従って、
部分的に形成される硬化層により耐摩耗性を有するとと
もに、他の部分は相対的に低硬度の母材であり、靱性も
備えた鋳造品である。

【００１２】更に、より高負荷用のツース５が要求され
る場合には、上記の強制冷却を行って硬度を高くしても
よいが、必要に応じて、凝固後に熱処理が施される。こ
の熱処理は焼入れ・焼戻し等の一般的熱処理が適用可能
であるが、本実施例では９５０℃加熱後、油焼入れを行
い、２００℃で焼戻し後空冷した。これにより得られた
ツース５について、ビッカース硬度計測定による断面
（図３の線Ｌ１と同様な線上）の硬度分布を図４に示
す。図から明らかなように、硬化深さは約１８ｍｍと大
きい。また、断面組織観察により、深さ約３ｍｍまでの
表面部は超硬合金粒が密集しており、深さ約３ｍｍ〜約
１１ｍｍまでの領域はマルテンサイトをベースとして超
硬合金粒が分散していると推定される。さらに深さ約１
８ｍｍまでの領域は、炭素量は減少しているが、マルテ
ンサイトをベースとしている。超硬合金粒の密集部の平
均硬度（ビッカース硬度）は８０４と極めて高硬度であ
り、本鋳造品は長寿命な耐摩耗性を有すると共に、靱性
を有している。

【００１３】（実施例２）本実施例は、適用例として実施例１と同様に掘削機械用
刃部のツース５を対象としたもので、図５に鋳型２０の
断面説明図を示す。なお、図２と同一部材には同一符号
を付して説明は省略する。鋳型２０を構成する鋳型２４
には保持部材２６が備えられ、保持部材２６は一部が空
隙部２５に突き出ると共に、一部が鋳型２４に埋め込ま
れている。軟鋼製パイプを略Ｕ字形に曲げた保持部材２
６は、内部に硬化層形成材１９を充填し、封止部分が鋳
型２４に固定されている。この保持部材２６は、ツース
５の幅方向に対して３箇所並列になるように、鋳型２４
に備えられている。かかる構成の鋳型２０に、実施例１
と同様に、鋳鋼溶湯を注入し、冷却凝固させた。これに
より得られたツース５の模式的断面を図６に示す。超硬
合金粒１７及び黒鉛粉末１８の分散、拡散部と対応する
硬化層２８が形成され、実施例１と同様に、耐摩耗性と
靱性を備えた鋳造品が得られる。

【００１４】（実施例３）本実施例は、適用例として建設機械の掘削用刃部の一種
であるリッパーポイントを対象としたもので、このリッ
パーポイント用鋳型３０の主要断面の説明図を図７に示
す。鋳型３０は、鋳型３１、３２及び中子３４から構成
され、リッパーポイント用の空隙部３３を形成してい
る。軟鋼製パイプの保持部材３６は、タングステン炭化
物粉を硬化層形成材（図示せず）として充填後に両端部
を封止してあり、この両端部が、中子３４の切欠部３４
ａ及び鋳型３２の切欠部３２ａに設置され、鋳型３１、
３２の割肌３５部で固定されている。この保持部材３６
は、リッパーポイントの幅方向（図７では、前後方向）
に５箇所設けられている。

【００１５】かかる構成の鋳型３０に、実施例１と同様
に、低合金鋼系の鋳鋼溶湯を注入し、冷却凝固させた。
これにより得られたリッパーポイントの模式的断面図
（図７のＺ−Ｚ断面に対応）を図８に示す。リッパーポ
イント３７の断面は、内部に硬化層３９が形成され、外
部に溶湯成分の特性を保有する母材３８が形成されてい
る。硬化層３９上部の５個の二点鎖線の円は、溶湯注入
前の保持部材３６の推定位置を示す。リッパーポイント
３７断面の線Ｌ２上の表面Ｐ２から裏表面Ｐ３までのビ
ッカース硬度分布を図９に示す。硬化層３９は明らかに
高硬度であり、最も固い部分の硬度が約８５０に達して
おり、一方母材３８の硬度はおよそ４００である。また
組織観察等の結果、硬化層３９にはタングステン炭化物
が分散しているとともに、タングステン炭化物が分解し
たと推察される炭素量増加が認められた。以上のことか
ら、本リッパーポイントは、表面は靱性を損なわず、内
部は極めて高硬度であり、高強度な耐摩耗部品である。
更に、必要に応じて、リッパーポイントに一般的な熱処
理、例えば焼入れ・焼戻し或いは焼きならし等、を施し
てよいことは言うまでもない。

【００１６】（実施例４）本実施例は、適用例として建設機械等の排土用刃部とな
るエンドピットを対象としたものである。図１０はエン
ドピットの説明図であり、（ａ）はエンドピット用鋳型
４０の主要部横断面、（ｂ）は鋳造後の模式的断面を示
す。鋳型４０は、鋳型４１（上型となるが、図示せ
ず）、４２から構成され、板状のエンドピット用の空隙
部４３を形成している。この鋳型４２の端部形状に則し
て曲げ加工された軟鋼製パイプの保持部材４４は、タン
グステン炭化物粉とモリブデン炭化物粉との混合粉を硬
化層形成材（図示せず）として内部に充填してあり、図
１０（ａ）のように設置され、上型４１により固定され
る。かかる構成の鋳型４０に、実施例１と同様に、鋳鋼
溶湯を注入し、冷却凝固させた。これによりエンドピッ
ト４５は曲線部を有する端面部に硬化層４６を形成する
ので、高硬度で耐摩耗性を所望される部分にのみ硬化層
を有する鋳造品が得られる。また、複数の曲げ加工した
保持部材を使用することで、所望曲面に硬化層を形成す
ることも可能である。

【００１７】（実施例５）本実施例は、上述実施例の保持部材について、さらなる
応用例としての構成、鋳型への設置及び断面形状に関す
る。図１１は硬化層形成材を充填した複数の保持部材５
１の網目状構成５０を示す。各保持部材５１間の固定が
必要な場合は、接触部５２を溶接、ロー付け、接着剤等
による接合、或いは針金等の細線巻き付け等してよい。
この網目状構成５０は、要求される硬化層の形成位置に
対応して鋳型内に設置される。例えば、図１２に示すよ
うに、鋳造品の上部側に硬化層を形成する場合は、鋳型
６０の上型相当の鋳型６１の天井部分に網目状構成５０
（５０ａ）を設置し、また鋳造品の下部側に硬化層を形
成する場合は、鋳型６１、６２の鋳肌６３間に網目状構
成５０（５０ｂ）を設置・固定する。この固定は、鋳型
６１、６２に切欠等の形成部への固定、針金、接着剤等
の部材による固定、或いは模型製作時に鋳物砂による固
定等でもよい。この網目状構成５０（５０ａ或いは５０
ｂ）を設置した鋳型６０に所定の溶湯を注入すること
で、硬化層６５或いは６６が得られる。この硬化層６
５、６６は、広範囲に形成されており、長寿命な耐摩耗
性を有する。この網目状構成５０は、積層して設置した
り、籠状など所望形状に成形してよい。

【００１８】以上本発明に係る耐摩耗部品の鋳造方法に
関し詳述したが、本発明は上記実施例に限定されるもの
ではない。例えば、硬化層形成材を充填した保持部材
は、その断面が円形について述べたが、その断面が楕円
形、多角形、星形、円筒形、板状、曲面状等必要に応じ
て選定してよい。また、硬化層形成材は、超硬質粒子の
み以外に、鋳造部品に要求される特性に応じて、黒鉛粉
末、及び／又はニッケル、銅、コバルト等金属粉末を添
加してもよい。この超硬質粒子としては、タングステン
炭化物以外に、チタン炭化物、ホウ素炭化物、クロム炭
化物、バナジウム炭化物、シリコン炭化物、モリブデン
炭化物より選ばれる一以上の炭化物、或いは、これら炭
化物の各種合金粉を含有する超硬質粒子でよい。さら
に、本発明の耐摩耗部品は、耐摩耗性と靱性とを要求さ
れる部品に適用可能であり、種々の掘削機械の刃部、歯
車、内燃機関のコンロッド等に使用してよい。

【００１９】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。超
硬質粒子を含有する硬化層形成材が軟鋼製パイプ等の保
持部材に充填されているので、所定位置に安定して、し
かも容易に設置可能である。この保持部材は、溶湯注入
時には溶融するので、超硬質粒子等が設置位置近傍に分
散・拡散するので、部分的にしかも所望位置に硬化層を
形成することができる。また、形成された硬化層を焼入
れすることにより、前記所望位置を更に硬化させること
ができる。さらに、この鋳造部品は、硬化層と溶湯成分
を有する母材部とを備えるので、高硬度でしかも靱性を
有する耐摩耗性に優れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１及び実施例２に係る適用例となる掘削
機械のバケットの主要部の斜視図である。

【図２】実施例１に係る鋳型の断面を説明する図であ
る。

【図３】実施例１に係るツースの模式的断面図である。

【図４】実施例１に係るツースの熱処理後の断面硬度分
布を表す図表である。

【図５】実施例２に係る鋳型の断面を説明する図であ
る。

【図６】実施例２に係るツースの模式的断面図である。

【図７】実施例３に係る鋳型の主要断面を説明する図で
ある。

【図８】実施例３に係るリッパーポイントの模式的断面
図である。

【図９】実施例３に係るリッパーポイント断面硬度分布
を表す図表である。

【図１０】実施例４に係るエンドピットの横断面の説明
図である。

【図１１】実施例５に係る複数の保持部材よりなる網目
状構成の斜視図である。

【図１２】実施例５に係る鋳型の主要断面を説明する図
である。

【符号の説明】

５…ツース、１１、１２、２４、３１、３２、４２、６
１、６２…鋳型、１３、２５、３３、４３…空隙部、１
４、３４…中子、１６、２６、３６、４４、５１…保持
部材、１７…超硬質粒子、１９…硬化層形成材、２１、
２８、３９、４６、６５、６６…硬化層、３７…リッパ
ーポイント、５０…網目状構成。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】超硬質部位を部分的に有する耐摩耗部品
を鋳造により製造する耐摩耗部品の製造方法において、
溶湯に溶融可能な保持部材を予め作成し、保持部材の内
部に超硬質粒子などの硬化層形成材を充填し、充填後の
保持部材を鋳型内の所定部位に設置し、鋳型内に溶湯を
注入したことを特徴とする耐摩耗部品の製造方法。
【請求項２】請求項１記載の耐摩耗部品の製造方法に
おいて、前記注入した溶湯を凝固させた後、保持部材の
設置部位に対応する部位を熱硬化処理したことを特徴と
する耐摩耗部品の製造方法。
【請求項３】前記保持部材は、軟鋼製パイプであるこ
とを特徴とする請求項１又は２記載の耐摩耗部品の製造
方法。
【請求項４】超硬質部位を部分的に有する耐摩耗部品
において、溶湯に溶融可能な保持部材の内部に超硬質粒
子などの硬化層形成材を充填し、充填後の保持部材を鋳
型内の所定部位に設置し、鋳型内に溶湯を注入されてな
ることを特徴とする耐摩耗部品。
【請求項５】請求項４記載の耐摩耗部品において、前
記注入した溶湯を凝固させた後、保持部材の設置部位に
対応する部位が熱硬化処理されてなることを特徴とする
耐摩耗部品。